专利摘要

本发明公开了大型蜘蛛三维运动观测及智能跟踪装置。现有蜘蛛三维观测平台没有运动刺激装置，而且有拍摄盲区。本发明的观测箱底部安放通道；通道两侧设置反光镜，滚珠丝杠支承在观测箱上，并由伺服电机驱动；摄像机安装台与滚珠丝杠构成螺旋副；无线发射平台捆绑在蜘蛛背部，无线接收平台和高速摄像机均安装在摄像机安装台上；高速摄像机将采集图像传给计算机；单片机控制中心接收计算机内的图像处理模块得到的蜘蛛轮廓形心与采集图像中心的差值或接收计算机对无线接收平台传递数据处理后得到的位移信号，并对差值或位移信号处理产生数字信号，将数字信号输入电机驱动模块。本发明采用图像追踪与传感器结合的方式，能够对观测对象实施动态追踪。

权利要求

1.一种大型蜘蛛三维运动观测及智能跟踪装置，包括观测箱、影像智能追踪装置、强光刺激装置和计算机，其特征在于：所述的观测箱底部安放一个通道，通道划分为阵列排布的方格；对通道进行坐标设定；所述的通道两侧均设置反光镜，反光镜通过镜面倾角调节装置调节与通道之间的夹角；所述的影像智能追踪装置包括图像采集模块、执行机构和传感器追踪系统；所述的图像采集模块采用高速摄像机；所述的执行机构包括盖板、滚珠丝杠、摄像机安装台、运动滑道、伺服电机、电机驱动模块和单片机控制中心；盖板设置在观测箱顶部；滚珠丝杠通过轴承支承在观测箱上，并与伺服电机的输出轴通过联轴器连接；两个运动滑道关于滚珠丝杠对称设置，且均固定在观测箱上；所述的摄像机安装台与滚珠丝杠构成螺旋副，且与两个运动滑道均构成滑动副；高速摄像机安装在摄像机安装台上；所述的电机驱动模块与伺服电机通过电源线和信号线连接；所述的传感器追踪系统由无线发射平台和无线接收平台组成，无线发射平台捆绑在蜘蛛背部，无线接收平台安装在摄像机安装台上；高速摄像机将采集图像传给计算机；所述的单片机控制中心通过串口接收计算机内的图像处理模块得到的蜘蛛轮廓形心与采集图像中心的差值或接收计算机对无线接收平台传递数据处理后得到的位移信号，并将接收到的数据进行处理产生数字信号，将数字信号输入电机驱动模块。

2.根据权利要求1所述的一种大型蜘蛛三维运动观测及智能跟踪装置，其特征在于：所述的无线发射平台是基于MEMS加速度传感器的感应装置，包括RF无线发射芯片、外部储存芯片以及纽扣电池；MEMS加速度传感器的型号为ADXL345，RF无线发射芯片的型号为NRF24E1，外部储存芯片的型号为UFDFPN5，纽扣电池的型号为MS621；所述的无线接收平台安装在摄像机安装平台上，接收无线发射平台所发射的数据，并通过串口与计算机连接；计算机采用加速度积分算法将无线接收平台传递的加速度数据进行两次积分即可得到蜘蛛移动的位移。

3.根据权利要求1所述的一种大型蜘蛛三维运动观测及智能跟踪装置，其特征在于：所述的强光刺激装置采用脉冲强光发射器，安装在观测箱箱壁上，脉冲频率和光谱输出范围可调节，脉冲强光发射器的发射口与水平面的夹角为90°。

4.根据权利要求1所述的一种大型蜘蛛三维运动观测及智能跟踪装置，其特征在于：所述的镜面倾角调节装置包括角度标尺、铰链、支架和推杆；反光镜背面固定支架；所述的支架与推杆内端用铰链连接，反光镜底部与观测箱箱底用铰链连接；推杆的外螺纹与观测箱侧壁的螺纹孔连接；反光镜一端设置角度标尺；所述的推杆外端伸出观测箱外。

5.根据权利要求1所述的一种大型蜘蛛三维运动观测及智能跟踪装置，其特征在于：所述的方格呈边长为10mm的正方形。

6.根据权利要求1所述的一种大型蜘蛛三维运动观测及智能跟踪装置，其特征在于：所述通道设定的坐标最小刻度值为1mm。

说明书

技术领域

本发明属于生物运动仿生技术领域，具体涉及一种大型蜘蛛三维运动观测及智能跟踪装置。

背景技术

仿生机器人是模仿自然界中生物的外部形态特征或某些机能的机器人系统，是将运动仿生、感知仿生、控制仿生、能量仿生、材料仿生等仿生技术完美综合与全面应用的产物。蜘蛛作为仿生学的重要研究对象，其形态结构特征的观察以及运动参数的测量可以给仿生机器人的研究提供数据支持。现有的观测平台相对简单一些，主要有两种：标本观测和活体观测，其中对标本观测：如CN100434954C专利，公开的是一份名为昆虫标本观测装置的专利，由三个直角支架、结合三个转动轴、以及底盘组成，该专利结构相对复杂，操作不方便，需双手协调摆动支架才能完成。而在CN201796186U专利中，公开了一种小型昆虫三维观测台的实用新型专利，其主体由一底座、一弹性轴座的支柱、带柄导轴、以及针眼座组成，可仅通过双手实现对标本方位的调节。但是昆虫标本的观测平台仅能对昆虫的外形特征进行观测，不能实现对运动数据的实时观测。活体观测现阶段采用的是高速摄像机拍摄运动昆虫获取序列图像，然后进行三维重构得到测量参数，如在2011年Wang等人所建立的三维观测平台，采用一台高速摄像机、一条通道、以及通道两侧的平面镜来观测蜘蛛的运动行为，但是这种观测平台没有一套蜘蛛运动的刺激装置，无法保证蜘蛛运动的可控性，没有跟踪装置，不能实现实时拍摄，另外该平台在拍摄盲区不能得到蜘蛛的运动信息。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，为了方便、快捷获取大型蜘蛛的结构特征、运动参数，提供一种方便、高效的大型蜘蛛三维运动观测及智能跟踪装置，不仅可以实现常规的三维观测，而且可以刺激大型蜘蛛的动作，采用图像处理技术与传感器技术来对大型蜘蛛的运动进行跟踪观测，实现对大型蜘蛛运动参数的精度测量，在大型蜘蛛静止、爬行、跳跃等运动时的序列图像数据的获取方面效用上佳，为蜘蛛仿生机器人的研究提供运动参数。

本发明包括观测箱、影像智能追踪装置、强光刺激装置和计算机；所述的观测箱底部安放一个通道，通道划分为阵列排布的方格；对通道进行坐标设定。所述的通道两侧均设置反光镜，反光镜通过镜面倾角调节装置调节与通道之间的夹角。所述的影像智能追踪装置包括图像采集模块、执行机构和传感器追踪系统；所述的图像采集模块采用高速摄像机；所述的执行机构包括盖板、滚珠丝杠、摄像机安装台、运动滑道、伺服电机、电机驱动模块和单片机控制中心。盖板设置在观测箱顶部；滚珠丝杠通过轴承支承在观测箱上，并与伺服电机的输出轴通过联轴器连接；两个运动滑道关于滚珠丝杠对称设置，且均固定在观测箱上；所述的摄像机安装台与滚珠丝杠构成螺旋副，且与两个运动滑道均构成滑动副；高速摄像机安装在摄像机安装台上；所述的电机驱动模块与伺服电机通过电源线和信号线连接；所述的传感器追踪系统由无线发射平台和无线接收平台组成，无线发射平台捆绑在蜘蛛背部，无线接收平台安装在观测箱一侧。高速摄像机将采集图像传给计算机；所述的单片机控制中心通过串口接收计算机内的图像处理模块得到的蜘蛛轮廓形心与采集图像中心的差值或接收计算机对无线接收平台传递数据处理后得到的位移信号，并将接收到的数据进行处理产生数字信号，将数字信号输入电机驱动模块。

所述的无线发射平台是基于MEMS加速度传感器的感应装置，包括RF无线发射芯片、外部储存芯片以及纽扣电池；MEMS加速度传感器的型号为ADXL345，RF无线发射芯片的型号为NRF24E1，外部储存芯片的型号为UFDFPN5，纽扣电池的型号为MS621。所述的无线接收平台安装在摄像机安装平台上，接收无线发射平台所发射的数据，并通过串口与计算机连接。计算机采用加速度积分算法将无线接收平台传递的加速度数据进行两次积分即可得到蜘蛛移动的位移。

所述的强光刺激装置采用脉冲强光发射器，安装在观测箱箱壁上，脉冲频率和光谱输出范围可调节，脉冲强光发射器的发射口与水平面的夹角为90°。

所述的镜面倾角调节装置包括角度标尺、铰链、支架和推杆。反光镜背面固定支架；所述的支架与推杆内端用铰链连接，反光镜底部与观测箱箱底用铰链连接；推杆的外螺纹与观测箱侧壁的螺纹孔连接；反光镜一端设置角度标尺；所述的推杆外端伸出观测箱外。

所述的方格呈边长为10mm的正方形。

所述通道设定的坐标最小刻度值为1mm。

本发明的有益效果：

1.本发明根据大型蜘蛛的喜阴特性，采用脉冲强光发射器作为刺激装置，能够根据实际需要调节脉冲频率和光谱的输出范围，可实现对大型蜘蛛运动的控制，满足观测对象的可控性。与其他观测装置相比，本发明可控性好，观测更加方便。

2.本发明采用影像智能追踪装置，能够对观测对象实施动态追踪观测，并且采用图像追踪与传感器追踪相结合的方式，使追踪定位更加准确。与普通的观测平台相比，本发明在能够实现观测对象的实时观测，观测数据更加准确。

3.本发明采用一台高速摄像机与可调倾角的反光镜结合，实现三维观测。镜面倾角调节装置可在实验过程中调节镜面倾角，满足不同倾角的观测，得到更加全面的观测数据。

4.本发明采用滚珠丝杠运动副作为影像追踪系统的运动单元，结构简单有效，安装、维护方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中镜面倾角调节装置的示意图；

图3为本发明中影像智能追踪装置的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，一种大型蜘蛛三维运动观测及智能跟踪装置，包括观测箱1、影像智能追踪装置2、强光刺激装置3和计算机4；观测箱1底部安放一个通道1-1，通道1-1划分为阵列排布的方格，方格呈边长为10mm的正方形；对通道1-1进行坐标设定，最小刻度值为1mm，通道靠近强光刺激装置3的顶部短边中心作为坐标原点A。通道1-1两侧均设置反光镜1-2-5，反光镜1-2-5通过镜面倾角调节装置1-2调节与通道1-1之间的夹角。

影像智能追踪装置2包括图像采集模块2-1、执行机构2-2和传感器追踪系统；影像智能追踪装置2采用图像追踪与传感器系统追踪相结合的方式进行追踪。图像采集模块2-1采用高速摄像机；图像采集模块2-1用于观测目标的拍摄；执行机构2-2包括盖板2-2-1、滚珠丝杠2-2-2、摄像机安装台2-2-3、运动滑道2-2-4、伺服电机2-2-5、电机驱动模块2-2-6和单片机控制中心2-2-7。盖板2-2-1设置在观测箱1顶部；滚珠丝杠2-2-2通过轴承支承在观测箱1上，并与伺服电机2-2-5的输出轴通过联轴器连接；两个运动滑道2-2-4关于滚珠丝杠2-2-2对称设置，且均固定在观测箱1上；摄像机安装台2-2-3与滚珠丝杠2-2-2构成螺旋副，且与两个运动滑道2-2-4均构成滑动副；高速摄像机安装在摄像机安装台2-2-3上；电机驱动模块2-2-6与伺服电机通过电源线和信号线连接；传感器追踪系统由无线发射平台2-3-2和无线接收平台2-3-1组成，无线发射平台捆绑在大型蜘蛛5(图1中用方框示意，本实施例中的大型蜘蛛为狼蛛)头胸部，无线接收平台2-3-1安装在观测箱1一侧。单片机控制中心2-2-7通过串口接收计算机4内的图像处理模块得到的蜘蛛轮廓形心与采集图像中心的差值或接收计算机4对无线接收平台2-3-1传递数据处理后得到的位移信号，并将接收到的数据进行处理产生数字信号，将数字信号输入电机驱动模块2-2-6，电机驱动模块2-2-6驱动伺服电机2-2-5，使动滚珠丝杠2-2-2转动，并带动高速摄像机移动。

为了提高对蜘蛛追踪的准确度，本发明在图像追踪的基础上采用传感器系统追踪：在蜘蛛头胸部捆绑无线发射平台2-3-2，无线发射平台是基于MEMS加速度传感器的感应装置，包括RF无线发射芯片、外部储存芯片以及纽扣电池，在焊接无线发射平台时采用双面紧凑型焊接，尺寸在1cm以下，以减小对蜘蛛运动的影响；MEMS加速度传感器的型号为ADXL345，RF无线发射芯片的型号为NRF24E1(超紧凑型)，外部储存芯片的型号为意法半导体公司的UFDFPN5，纽扣电池的型号为MS621。本发明为避免观测箱对无线装置的屏蔽作用将无线接收平台2-3-1安装在摄像机安装平台2-2-3上，接收无线发射平台2-3-2所发射的数据，并通过串口与计算机4连接。计算机4在算法处理上采用加速度积分算法计算蜘蛛移动的位移。

强光刺激装置3采用脉冲强光发射器3-1，安装在观测箱1箱壁上，脉冲频率和光谱输出范围可调节，脉冲强光发射器3-1的发射口与水平面的夹角为90°。

如图2所示，镜面倾角调节装置1-2包括角度标尺1-2-1、铰链1-2-2、支架1-2-3和推杆1-2-4。反光镜1-2-5背面固定支架1-2-3；支架1-2-3与推杆1-2-4内端用铰链1-2-2连接，反光镜1-2-5底部与观测箱箱底用铰链1-2-2连接；推杆1-2-4的外螺纹与观测箱1侧壁的螺纹孔连接；反光镜1-2-5一端设置角度标尺1-2-1，方便反光镜倾角的设定。推杆1-2-4外端伸出观测箱1外，转动推杆1-2-4可实现反光镜1-2-5绕铰链1-2-2转动，从而实现反光镜1-2-5不同倾角的观测。因高速摄像机在通道1-1的正上方，对蜘蛛的侧面拍摄需要平面镜反射的画面来呈现。在拍摄过程中为了减少由于摄像头本身造成的误差和平面镜的发射对算法效果的影响，只取图像正中央的200mm×200mm区域进行算法计算，从而实现整幅图像的匹配计算。

下面结合图3说明影像智能追踪装置工作流程：

本发明中影响影像智能跟踪装置对蜘蛛的跟踪观测是在特定环境下实现的，传感器系统追踪和图像追踪在工作中干扰较少，影像智能追踪装置的工作流程如下：

步骤一、执行机构2-2带动高速摄像机定位到使蜘蛛处于高速摄像机的摄像范围内，高速摄像机和传感器追踪系统同时开始工作。

步骤二、计算机采用加速度积分算法将无线接收平台传递的加速度数据进行两次积分即可得到蜘蛛移动的位移。开始拍摄时，高速摄像机处于静态背景的拍摄环境中，并且高速摄像机所拍摄的相邻两帧图像公共背景部分具有很大相关性，同时图像背景仅存在平移变化且变化很小；计算机对高速摄像机的采集图像进行截取正中央的200mm×200mm区域、滤波去噪、边缘强化预处理，采用帧差法背景建模并提取前景目标，采用Canny算子对目标边缘检测，并对目标轮廓进行提取，得到蜘蛛轮廓的形心，将蜘蛛轮廓的形心与预处理后的采集图像中心进行做差，并将差值通过串口发送给单片机控制中心2-2-7。本发明为了方便蜘蛛腿部动作数据的处理，需在采集图像上判别腿尖点，具体处理如下：

1)判别“类腿前尖点”：在腿部轮廓序列中取一个轮廓点定义为第一计算点，与第一计算点两侧间隔二十二个轮廓点的两个轮廓点定义为第二计算点，第一计算点与两个第二计算点分别生成向量 和 通过计算向量 和 的夹角α余弦值，进而计算得到夹角α的值，当夹角α＜30°时，将第一计算点作为“类腿前尖点”；对所有轮廓点均进行判别是否为“类腿前尖点”。

2)为了避免计算机将“类腿前尖点”误认为是要获得的腿尖点，需要计算腿轮廓点到蜘蛛轮廓形心的距离，将得到的距离波峰点与“类腿前尖点”进行与运算即可准确判断出腿尖点。

预先设定蜘蛛轮廓形心与采集图像中心的第一阈值，第一阈值为100mm。蜘蛛持续运动，蜘蛛轮廓形心与采集图像中心的偏差大于第一阈值时，进入步骤三。

步骤三、单片机控制中心2-2-7发出转动命令给电机驱动模块2-2-6；电机驱动模块2-2-6驱动伺服电机2-2-5转动，使得滚珠丝杠2-2-2转动，并带动高速摄像机移动。

步骤四、高速摄像机移动时处于动态背景的拍摄环境中，计算机采用动态背景补偿法将动态背景转化为静态背景，提取追踪目标，得到蜘蛛形心；设定蜘蛛形心与采集图像中心的第二阈值，第二阈值为30mm；当观测到的蜘蛛形心与采集图像中心的偏差小于第二阈值，并且计算机判断摄像机的移动距离与蜘蛛运动位移的差值绝对值小于30mm时，进入步骤五。

步骤五、单片机控制中心2-2-7发出停止命令给电机驱动模块2-2-6；电机驱动模块2-2-6控制伺服电机2-2-5停止，高速摄像机停止移动，计算机将计算位移值清零，此时高速摄像机重新处于静态背景的拍摄环境中，重复步骤二。

一种大型蜘蛛三维运动观测及智能跟踪装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。